Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Sự gia tăng chất thải rắn sinh hoạt với tốc độ trung bình khoảng 12%/năm tại Việt Nam dẫn đến khối lượng nước rỉ rác (NRR) phát sinh ngày càng lớn tại các bãi chôn lấp và trạm trung chuyển. Nước rỉ rác có nồng độ ô nhiễm cao và thành phần phức tạp: chỉ số COD có thể lên tới 70.000 mg/l, chất rắn hòa tan (TDS) tới 50.000 mg/l, tổng chất rắn lơ lửng (TSS) tới 2.000 mg/l và hàm lượng nitơ vượt 3.000 mg/l. Nước rỉ rác bốc mùi hôi, có nguy cơ ngấm vào lòng đất gây ô nhiễm nước ngầm và xâm nhập vào hệ thống nước mặt.

Các hệ thống xử lý NRR hiện hữu tại các bãi chôn lấp ở Việt Nam bộc lộ nhiều hạn chế kỹ thuật: chất lượng nước sau xử lý thường khó đáp ứng tiêu chuẩn xả thải đối với chỉ tiêu COD và nitơ tổng theo QCVN 25:2009/BTNMT cột B; các phương pháp hóa lý truyền thống tiêu tốn lượng lớn hóa chất keo tụ, tạo ra lượng bùn cặn cao và chi phí vận hành lớn; trong khi các công trình sinh học đơn thuần khó xử lý các hợp chất hữu cơ khó phân hủy và nồng độ chất ức chế cao. Do đó, việc nghiên cứu kết hợp phương pháp keo tụ điện hóa (Electrocoagulation - EC) và lọc sinh học (Bio-Filter - BF) là hướng đi cần thiết nhằm loại bỏ các chất hữu cơ phân tử lớn, kim loại nặng, giảm thiểu hóa chất bổ sung, đồng thời nâng cao hiệu suất xử lý nitơ và chất hữu cơ hòa tan để đạt quy chuẩn môi trường QCVN 25:2009/BTNMT cột B2.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Xác định điều kiện thích hợp cho xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR bằng phương pháp keo tụ điện hóa (EC).
  2. Xác định điều kiện thích hợp cho xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR sau quá trình xử lý EC bằng phương pháp lọc sinh học (BF).

Nhiệm vụ trọng tâm là nghiên cứu quá trình EC kết hợp BF để nâng cao hiệu quả xử lý NRR, đảm bảo chất lượng nước đầu ra đạt QCVN 25:2009/BTNMT cột B2.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Nước rỉ rác phát sinh từ bãi chôn lấp chất thải rắn; quá trình keo tụ điện hóa sử dụng các vật liệu điện cực sắt và nhôm; quá trình lọc sinh học ngập nước sử dụng màng vi sinh vật trên giá thể.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát thực nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm đối với các thông số vận hành của quá trình EC (mật độ dòng điện, thời gian điện phân, pH đầu vào, khoảng cách điện cực, loại điện cực) và quá trình BF (chế độ sục khí/dừng sục khí, tải lượng chất ô nhiễm đầu vào) trên các chỉ tiêu đánh giá: COD, BOD5, amoni ($NH_4^+$), nitrat ($NO_3^-$), TSS, độ màu và mức tiêu thụ điện năng.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Luận án đã tổng hợp các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về đặc tính nước rỉ rác, công nghệ keo tụ điện hóa và công nghệ lọc sinh học:

  1. Đặc trưng nước rỉ rác theo độ tuổi bãi chôn lấp: Thành phần NRR biến đổi rõ rệt qua các giai đoạn vận hành bãi chôn lấp: bãi mới (0–5 năm), bãi trung bình (5–10 năm) và bãi cũ (>10 năm).
Thông số Đơn vị Bãi mới (0 – 5 năm) Bãi trung bình (5 – 10 năm) Bãi cũ (> 10 năm)
pH - < 6,5 6,5 – 7,5 > 7,5
COD mg/l > 10.000 4.000 – 10.000 < 4.000
Tỷ lệ BOD5/COD - 0,5 – 1,0 0,1 – 0,5 < 0,1
Thành phần hữu cơ - 80% axit béo dễ bay hơi 5 – 30% axit béo dễ bay hơi + axit humic, fulvic Axit humic và axit fulvic
Amoni ($NH_4^+$) mg/l < 400 - > 400
TOC/COD - < 0,3 0,3 – 0,5 > 0,5
N-Kjeldahl mg/l 100 – 200 - -
Khả năng phân hủy sinh học - Cao Trung bình Thấp
  1. Dữ liệu thành phần nước rỉ rác tại Việt Nam: Tác giả tổng hợp số liệu từ các bãi chôn lấp: Phước Thới - Cần Thơ, Gò Cát - TP. Hồ Chí Minh, Thủy Phương - Huế, Tràng Cát - Hải Phòng, Xuân Sơn và Nam Sơn - Hà Nội. Kết quả cho thấy pH dao động từ 6,81 đến 8,5; COD từ 327 đến 22.783 mg/l; BOD5 từ 120 đến 12.302 mg/l; Tổng nitơ từ 62 đến 2.427 mg/l; $N-NH_4^+$ từ 17,2 đến 2.887 mg/l.
Tên bãi chôn lấp Tuổi BCL (năm) pH COD (mg/l) BOD5 (mg/l) Tổng N (mg/l) $N-NH_4^+$ (mg/l) TSS (mg/l)
Phước Thới (Cần Thơ) - 7,3 – 7,36 5.315 – 5.889 1.008 – 1.208 520 – 556 - -
Gò Cát (TP. HCM) 7 7,4 – 7,6 13.655 – 16.814 6.272 – 9.200 1.680 – 2.427 1.821 – 2.887 700 – 2.020
Thủy Phương (Huế) 9 7,7 – 8,5 623 – 2.442 148 – 398 - 184 – 543 42 – 84
Tràng Cát (Hải Phòng) 6 7,63 – 8,01 327 – 701 120 – 340 178,5 – 433,6 - 21 – 57
Xuân Sơn (Hà Nội) 10 7,7 3.540 2.150 62 17,2 986
Nam Sơn (Hà Nội) 7 6,81 – 7,98 1.020 – 22.783 495 – 12.302 423 – 2.253 - 120 – 2.240

  1. Nghiên cứu về keo tụ điện hóa (EC):

    • Quốc tế: Carlos Alberto Martínez-Huitle và cộng sự (2017) tổng kết cơ chế và ứng dụng EC; Bouhezila và cộng sự (2011), Ilhan và cộng sự (2008) so sánh điện cực Al và Fe trong việc tách độ đục, màu và amoni; Li và cộng sự (2011) chứng minh điện cực Fe xử lý COD hiệu quả hơn Al; Yang và cộng sự (2006) dùng EC khử độ đục dầu nhũ tương; Kuokkanen và cộng sự (2015) dùng EC xử lý hợp chất humic; Ezechi và cộng sự (2014) tách bo; Fajardo và cộng sự (2015) xử lý phenol; Un và cộng sự (2013) khử ion $F^-$.
    • Việt Nam: Hồ Văn Khánh (1999) nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm bằng anot nhôm hòa tan; Bùi Thị Tuyết Loan (2013) xử lý nước thải in bằng điện cực ferosilic/Fe; Võ Anh Khuê (2014) kết hợp EC với vi điện phân Fe-C xử lý kim loại nặng và florua; Nguyễn Thị Hường (2015) xử lý nước thải thủy sản bằng EC.

  2. Nghiên cứu về lọc sinh học (BF):

    • Reungoat và cộng sự (2012) kết hợp ozon hóa và lọc sinh học than hoạt tính; Chen và cộng sự (2002), Kermani và cộng sự (2009), Peng và cộng sự (2004) khảo sát ảnh hưởng của nồng độ oxy hòa tan (DO); Saravanamuth Vigneswaran và cộng sự (2003) nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ; Akpor và cộng sự (2008) xác định dải pH tối ưu 6–9; Durmaz và cộng sự (2011), Fatihah (2004) nghiên cứu tỷ lệ C/N đối với động học bùn và hiệu quả khử nitơ; Wijeyekoon và cộng sự (2004) đánh giá ảnh hưởng của tải lượng chất ô nhiễm đến cấu trúc màng sinh học.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Tại Việt Nam, các công trình ứng dụng keo tụ điện hóa trong xử lý nước rỉ rác còn rất hạn chế. Luận án giải quyết khoảng trống về việc xác lập các thông số công nghệ tối ưu khi sử dụng EC làm bước tiền xử lý để giảm tải lượng hữu cơ, chất lơ lửng, độ màu và cải thiện tỷ lệ BOD5/COD, sau đó kết hợp với bể lọc sinh học ngập nước (BF) có chu kỳ sục khí kiểm soát để loại bỏ triệt để amoni và COD còn lại, đáp ứng quy chuẩn QCVN 25:2009/BTNMT cột B2.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

1. Quá trình keo tụ điện hóa (EC)

Quá trình EC sử dụng dòng điện một chiều để hòa tan anot kim loại hy sinh (Fe hoặc Al), giải phóng ion kim loại vào dung dịch:

  • Tại anot: $$\text{Al} \rightarrow \text{Al}^{3+} + 3\text{e}^-$$ $$\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^-$$
  • Tại catot: $$\text{H}_2\text{O} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{H}_2 \uparrow + 2\text{OH}^-$$
  • Phản ứng tạo hydroxit kim loại: $$\text{Al}^{3+} + 3\text{OH}^- \rightarrow \text{Al(OH)}_3 \downarrow$$ $$\text{Fe}^{2+} + 2\text{OH}^- \rightarrow \text{Fe(OH)}_2 \downarrow$$

Các monomer và polymer hydroxit ($\text{Al}(\text{OH})^{2+}$, $\text{Al}_2(\text{OH})_2^{4+}$, $\text{Al}6(\text{OH}){15}^{3+}$, $\text{Fe}(\text{H}_2\text{O})_5(\text{OH})^{2+}$, $\text{Fe}_2(\text{H}_2\text{O})_8(\text{OH})_2^{4+}$,...) tạo thành mạng lưới keo tụ hấp phụ, tạo phức và kết tủa các chất ô nhiễm. Khí $\text{H}_2$ thoát ra tại catot hỗ trợ quá trình tuyển nổi các hạt cặn lên bề mặt.

2. Quá trình lọc sinh học (BF) và chuyển hóa nitơ

  • Động học màng sinh học: Mô hình truyền khối và phản ứng trong màng sinh học dựa trên phương trình thăng bằng vật chất dòng đẩy lý tưởng: $$M_v - M_p = M_r$$ $$\frac{\partial S}{\partial x} = -\frac{A}{Q} v_i$$ Trong đó $S$ là nồng độ cơ chất, $Q$ là lưu lượng, $A$ là tiết diện cột lọc, $v_i$ là tốc độ phản ứng (tuân theo phản ứng bậc 0, bậc 0,5 hoặc bậc 1 tùy thuộc nồng độ cơ chất và độ dày màng sinh học).
  • Quá trình nitrat hóa (Hiếu khí): Diễn ra qua 2 giai đoạn nhờ vi khuẩn tự dưỡng: $$\text{NH}_4^+ + \frac{3}{2}\text{O}_2 \xrightarrow{\text{Nitrosomonas}} \text{NO}_2^- + 2\text{H}^+ + \text{H}_2\text{O}$$ $$\text{NO}_2^- + \frac{1}{2}\text{O}_2 \xrightarrow{\text{Nitrobacter}} \text{NO}_3^-$$ Phương trình tổng hợp có xét đến sinh khối: $$1{,}02\text{NH}_4^+ + 1{,}89\text{O}_2 + 2{,}02\text{HCO}_3^- \xrightarrow{\text{VSV}} 0{,}021\text{C}_5\text{H}_7\text{O}_2\text{N} + 1{,}00\text{NO}_3^- + 1{,}92\text{H}_2\text{CO}_3 + 1{,}06\text{H}_2\text{O}$$ Theo lý thuyết, để oxy hóa 1 gam $\text{N-NH}_4^+$ cần tiêu thụ 4,3 gam $\text{O}_2$ và làm giảm 7,2 gam độ kiềm (tính theo $\text{CaCO}_3$).
  • Quá trình khử nitrat (Thiếu khí/Anoxic): Diễn ra khi nồng độ DO < 0,5 mg/l (tối ưu < 0,2 mg/l) nhờ vi khuẩn dị dưỡng sử dụng nguồn cacbon hữu cơ: $$\text{NO}_3^- \rightarrow \text{NO}_2^- \rightarrow \text{N}_2 \uparrow$$ Khi khử 1 mg/l $\text{NO}_3^-$ sẽ giải phóng 3,57 mg/l độ kiềm ($\text{HCO}_3^-$).

Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

  • Mô hình keo tụ điện hóa (EC):
    • Thiết kế bể phản ứng điện phân dung tích phòng thí nghiệm, bố trí các bản điện cực theo kiểu đơn cực nối song song.
    • Khảo sát các thông số: mật độ dòng điện ($J$), thời gian điện phân ($t$), pH ban đầu (dao động từ axit đến kiềm), khoảng cách giữa các bản điện cực (0,5 – 2,0 cm), và loại vật liệu điện cực (sắt và nhôm).
    • Tính toán mức tiêu thụ năng lượng điện riêng ($W$, $\text{kWh/m}^3$).
  • Mô hình lọc sinh học (BF):
    • Cột lọc sinh học ngập nước chứa giá thể xốp cố định vi sinh vật.
    • Vận hành theo chu kỳ với các chế độ sục khí/dừng sục khí (S/D) khác nhau nhằm tạo vùng thiếu khí - hiếu khí xen kẽ phục vụ đồng thời quá trình nitrat hóa và khử nitrat.
    • Khảo sát các mức tải lượng amoni đầu vào để xác định ngưỡng tải trọng tối ưu.
  • Phương pháp phân tích:
    • Xác định COD (phương pháp trắc quang/chuẩn độ dicromat), $\text{BOD}_5$ (chai đo áp suất/pha loãng), amoni ($\text{N-NH}_4^+$ bằng so màu Indophenol/Nessler), nitrat ($\text{N-NO}_3^-$ bằng trắc quang tử ngoại/so màu), TSS (phương pháp sấy cân ở $105^\circ\text{C}$), pH, DO (đo bằng điện cực chọn lọc) và độ màu (phương pháp so màu Pt-Co).

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực trạng ô nhiễm nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp Việt Nam; xác định mục tiêu nghiên cứu, nhiệm vụ khoa học, phạm vi thực nghiệm và những luận điểm cốt lõi được bảo vệ.

Chương 1: Tổng quan về nước rỉ rác, keo tụ điện hóa, lọc sinh học và phương pháp xử lý nước rỉ rác

  • Hệ thống hóa các kiến thức về nguồn gốc, động học cân bằng nước và sự biến đổi chất lượng NRR theo thời gian chôn lấp rác qua 5 giai đoạn: Thích nghi, Chuyển tiếp, Axit, Lên men metan và Chín.
  • Phân tích cơ chế điện hóa, các dạng sản phẩm thủy phân kim loại theo giản đồ E-pH của sắt và nhôm, các yếu tố công nghệ chi phối quá trình EC (mật độ dòng, chất trợ dẫn, cách đấu nối điện cực).
  • Tổng quan cơ chế động học phản ứng màng vi sinh, lý thuyết nitrat hóa - khử nitrat, ảnh hưởng của DO, tỷ lệ C/N, pH, nhiệt độ trong hệ lọc sinh học.
  • Đánh giá tổng quan các công trình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp hóa lý, sinh học, oxy hóa nâng cao và các giải pháp công nghệ kết hợp trên thế giới và tại Việt Nam.

Chương 2: Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

  • Trình bày đặc tính nguồn nước rỉ rác thực tế sử dụng cho nghiên cứu.
  • Mô tả chi tiết cấu tạo hệ thống thiết bị thí nghiệm EC và BF quy mô phòng thí nghiệm, quy trình nuôi cấy màng vi sinh vật trên giá thể xốp.
  • Thiết lập quy trình phân tích các thông số chất lượng nước theo tiêu chuẩn TCVN và Standard Methods.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

1. Xử lý nước rỉ rác bằng keo tụ điện hóa (EC)

  • Ảnh hưởng của mật độ dòng ($J$) và thời gian điện phân ($t$): Khảo sát trên điện cực sắt xác định được điều kiện vận hành phù hợp là $J = 3{,}896\text{ mA/cm}^2$ và thời gian điện phân 60 phút. Khi tăng $J$ và $t$, hiệu suất xử lý COD, TSS và độ màu tăng do lượng ion $\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}^{3+}$ hòa tan tăng theo định luật Faraday, nhưng đồng thời làm gia tăng tiêu hao điện năng. Điện năng tiêu thụ tại điều kiện này là $12{,}83\text{ kWh/m}^3$ NRR.
  • Ảnh hưởng của pH đầu vào: Quá trình keo tụ điện hóa đạt hiệu quả ổn định ở pH = 8. Tại giá trị này, sự hình thành các kết tủa hydroxit sắt không tan diễn ra thuận lợi, hỗ trợ quá trình keo tụ và lắng cặn.
  • Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực: Khoảng cách thích hợp giữa các tấm điện cực là 1 cm. Khoảng cách quá nhỏ gây cản trở thoát khí và cặn lắng, trong khi khoảng cách lớn làm tăng điện trở dung dịch dẫn đến sụt áp và tăng tiêu thụ điện năng.
  • So sánh điện cực sắt (Fe) và nhôm (Al):
    • Điện cực sắt cho hiệu suất xử lý COD cao hơn điện cực nhôm 31,96%.
    • Điện cực sắt cho hiệu suất xử lý TSS cao hơn điện cực nhôm 11,51%.
    • Điện cực sắt cho hiệu suất xử lý độ màu cao hơn điện cực nhôm 4,35%.
    • Điện cực nhôm cho hiệu suất xử lý amoni cao hơn điện cực sắt 2,82%.
    • Sau quá trình EC với điện cực sắt, tỷ lệ $\text{BOD}_5/\text{COD}$ của NRR được cải thiện, tạo điều kiện thuận lợi cho bước xử lý sinh học tiếp theo.

2. Xử lý nước rỉ rác sau EC bằng lọc sinh học (BF)

  • Ảnh hưởng của chế độ sục khí (Sục khí/Dừng sục khí - S/D): Chế độ sục khí 15 phút và dừng sục khí 105 phút (15/105 phút) trong một chu kỳ là tối ưu để duy trì xen kẽ điều kiện hiếu khí (cho vi khuẩn nitrat hóa oxy hóa amoni thành nitrat) và điều kiện thiếu khí/anoxic với DO < 0,5 mg/l (cho vi khuẩn khử nitrat chuyển hóa $\text{NO}_3^-$ thành khí $\text{N}_2$).
  • Ảnh hưởng của tải lượng amoni đầu vào: Khi tải lượng amoni đầu vào được kiểm soát không vượt quá $0{,}16\text{ kg/m}^3/\text{ngày}$, hệ thống duy trì hoạt động ổn định của màng sinh học và đạt hiệu quả xử lý cao.
  • Hiệu suất xử lý của quá trình BF sau EC:
    • Hiệu suất xử lý COD: $73{,}77 \pm 0{,}65%$
    • Hiệu suất xử lý amoni ($NH_4^+$): $98{,}88 \pm 0{,}01%$
    • Hiệu suất xử lý TSS: $83{,}34 \pm 0{,}53%$
    • Hiệu suất xử lý độ màu: $16{,}70 \pm 0{,}75%$
  • Nước thải sau khi qua chuỗi xử lý kết hợp EC và BF đáp ứng đầy đủ các giá trị giới hạn quy định tại QCVN 25:2009/BTNMT cột B2.

Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ các thông số kỹ thuật tối ưu đã xác lập; khẳng định tính khả thi của mô hình kết hợp EC - BF trong xử lý NRR và đề xuất hướng nghiên cứu triển khai ở quy mô pilot và thực địa.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về khoa học và công nghệ

  1. Xác định được hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm (COD, amoni, TSS và độ màu) trong nước rỉ rác tại Việt Nam của điện cực sắt so với điện cực nhôm bằng phương pháp keo tụ điện hóa.
  2. Kết hợp thành công quá trình keo tụ điện hóa (EC) với quá trình lọc sinh học ngập nước (BF) để xử lý hiệu quả các chất ô nhiễm (COD, amoni, TSS và độ màu) trong nước rỉ rác ở quy mô phòng thí nghiệm.

Kết quả và ý nghĩa thực tiễn

  1. Xác định được tập thông số vận hành thích hợp cho quá trình EC: mật độ dòng $J = 3{,}896\text{ mA/cm}^2$, thời gian điện phân 60 phút, pH đầu vào = 8, khoảng cách điện cực 1 cm; giúp nâng cao hiệu quả tách COD, TSS, độ màu và cải thiện tỷ lệ $\text{BOD}_5/\text{COD}$.
  2. Làm rõ sự khác biệt giữa hai loại vật liệu điện cực: điện cực Fe cho hiệu suất xử lý COD, TSS và độ màu vượt trội hơn điện cực Al (lần lượt cao hơn 31,96%; 11,51% và 4,35%), trong khi điện cực Al xử lý amoni nhỉnh hơn điện cực Fe (cao hơn 2,82%).
  3. Xác định mức tiêu thụ năng lượng điện của quá trình EC ở điều kiện tối ưu là $12{,}83\text{ kWh/m}^3$ NRR, làm cơ sở tính toán chi phí năng lượng.
  4. Xác định được chế độ sục khí/dừng sục khí (15/105 phút) và giới hạn tải lượng amoni đầu vào ($\le 0{,}16\text{ kg/m}^3/\text{ngày}$) của bể lọc sinh học BF, đạt hiệu suất xử lý amoni tới $98{,}88 \pm 0{,}01%$ và COD đạt $73{,}77 \pm 0{,}65%$, đảm bảo nước đầu ra đạt chuẩn xả thải QCVN 25:2009/BTNMT cột B2.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các nghiên cứu thực nghiệm của luận án được thực hiện tại quy mô phòng thí nghiệm trên các mẻ mẫu nước rỉ rác xác định. Do đặc tính NRR trong thực tế biến động mạnh theo mùa và theo tuổi vận hành bãi chôn lấp, các hiện tượng thụ động hóa bề mặt điện cực, tiêu hao khối lượng anot theo thời gian dài và sự suy giảm hoạt tính sinh học khi tải lượng biến động đột ngột cần tiếp tục được đánh giá sâu hơn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu thử nghiệm công nghệ kết hợp EC - BF ở quy mô pilot liên tục tại hiện trường bãi chôn lấp rác.
    • Khảo sát các giải pháp chống thụ động hóa điện cực anot (như đảo chiều dòng điện định kỳ) và tái sử dụng bùn thải sau quá trình EC.
    • Nghiên cứu tối ưu hóa tự động hóa hệ thống kiểm soát chế độ cấp khí và tuần hoàn dòng trong bể lọc sinh học.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật môi trường: Luận án cung cấp hệ thống dữ liệu chi tiết về đặc tính NRR tại nhiều bãi chôn lấp ở Việt Nam; các phương trình phản ứng hóa học - điện hóa; tính toán định lượng nhu cầu oxy và độ kiềm trong quá trình nitrat hóa/khử nitrat; phương pháp thiết lập mô hình động học màng sinh học và các thông số vận hành thực nghiệm.
  • Đối với kỹ sư công nghệ và người làm chính sách, quản lý môi trường: Cung cấp giải pháp công nghệ kết hợp EC và BF giúp giảm thiểu sử dụng hóa chất keo tụ, giảm lượng bùn thải phát sinh từ 50–70% so với keo tụ hóa học thông thường, xác lập định mức tiêu thụ điện năng ($12{,}83\text{ kWh/m}^3$) và thông số kiểm soát tải lượng để cải tạo hoặc thiết kế mới các trạm xử lý nước rỉ rác đáp ứng quy chuẩn QCVN 25:2009/BTNMT cột B2.

Câu hỏi thường gặp

1. Điều kiện tối ưu của quá trình keo tụ điện hóa (EC) với điện cực sắt và mức tiêu thụ điện năng tương ứng là bao nhiêu?

Điều kiện tối ưu được xác định gồm: mật độ dòng điện $J = 3{,}896\text{ mA/cm}^2$, thời gian điện phân 60 phút, pH đầu vào của nước rỉ rác bằng 8, khoảng cách giữa các bản điện cực là 1 cm. Mức tiêu thụ điện năng tại điều kiện này là $12{,}83\text{ kWh/m}^3$ NRR.

2. So sánh hiệu quả xử lý các chỉ tiêu ô nhiễm giữa điện cực sắt (Fe) và điện cực nhôm (Al) trong quá trình EC?

Điện cực sắt cho hiệu suất xử lý COD cao hơn điện cực nhôm 31,96%, TSS cao hơn 11,51%, và độ màu cao hơn 4,35%. Ngược lại, điện cực nhôm có hiệu quả xử lý amoni cao hơn điện cực sắt 2,82%. Do giá thành sắt thấp và hiệu quả xử lý hữu cơ, độ màu, TSS vượt trội, điện cực sắt là lựa chọn phù hợp cho tiền xử lý NRR.

3. Bể lọc sinh học (BF) sau quá trình EC cần vận hành ở chế độ sục khí và tải lượng amoni nào để đạt hiệu quả cao?

Bể BF cần vận hành với chu kỳ sục khí/dừng sục khí (S/D) là 15/105 phút (sục khí 15 phút, ngắt khí 105 phút) và kiểm soát tải lượng amoni đầu vào không vượt quá $0{,}16\text{ kg/m}^3/\text{ngày}$.

4. Hiệu suất xử lý các chỉ tiêu ô nhiễm chính của bể lọc sinh học BF sau EC đạt được là bao nhiêu?

Quá trình BF sau khi qua EC đạt hiệu suất xử lý: COD đạt $73{,}77 \pm 0{,}65%$; amoni ($NH_4^+$) đạt $98{,}88 \pm 0{,}01%$; TSS đạt $83{,}34 \pm 0{,}53%$; độ màu đạt $16{,}70 \pm 0{,}75%$. Toàn bộ nước sau xử lý đáp ứng quy chuẩn QCVN 25:2009/BTNMT cột B2.

5. Theo cơ sở lý thuyết của luận án, lượng oxy và độ kiềm tiêu hao cho quá trình nitrat hóa amoni được tính toán như thế nào?

Theo phương trình phản ứng sinh hóa tổng hợp có tạo sinh khối tế bào ($1{,}02\text{NH}_4^+ + 1{,}89\text{O}_2 + 2{,}02\text{HCO}_3^- \rightarrow 0{,}021\text{C}_5\text{H}_7\text{O}_2\text{N} + 1{,}00\text{NO}_3^- + 1{,}92\text{H}_2\text{CO}_3 + 1{,}06\text{H}_2\text{O}$), khi oxy hóa 1 gam $\text{N-NH}_4^+$ cần tiêu thụ 4,3 gam $\text{O}_2$ và làm tiêu tốn 7,2 gam độ kiềm (tính quy đổi về $\text{CaCO}_3$).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Lê Cao Khải đã nghiên cứu thực nghiệm thành công dây chuyền công nghệ kết hợp keo tụ điện hóa (EC) và lọc sinh học (BF) ngập nước nhằm xử lý nước rỉ rác có nồng độ ô nhiễm cao tại Việt Nam. Công trình đã làm rõ các thông số kỹ thuật tối ưu của từng công đoạn, chứng minh tính ưu việt của điện cực sắt trong việc giảm tải lượng COD, TSS, màu và cải thiện khả năng phân hủy sinh học trước khi đưa vào bể lọc sinh học vận hành theo chu kỳ sục khí kiểm soát (15/105 phút). Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm quan trọng, khẳng định giải pháp kết hợp EC - BF đưa nước rỉ rác sau xử lý đạt quy chuẩn xả thải QCVN 25:2009/BTNMT cột B2 với chi phí năng lượng hợp lý.